Key words: Stainless steel, Laser welding, Shielding gas, Molten pool behavior, Plasma plume formation, Keyhole opening

1. 서 론

오스테나이트계 스테인리스강은 18-20% 크롬과 8- 12% 니켈으로 구성되어 있으며, 스테인리스강 중에서도 내식성, 성형성 및 기계적 특성이 우수하여 자동차, 항공우주, 원자력, 화학 및 극저온 탱크 등 다양한 산업에서 활용되어지고 있다. 스테인리스강은 가스 텅스텐 아크 용접 (GTAW), 저항 점 용접 (RSW), 마찰 교반 용접 (FSW) 등을 적용하여 조립되고 있는데 용접효율 및 생산속도를 향상시키고, 열변형을 최소화하기 위해 최근에는 레이저 용접을 적용하려고 하고 있다^1,2).

레이저 용접에서 차폐가스는 대기에 존재하는 O, N₂ 등 다양한 원소로부터 용융 금속을 보호하여 표면의 산화 및 불순물의 여입을 방지하는 역할을 한다. 또한 공정 중 발생하는 플라즈마 및 플룸을 저감시키어 용접 공정을 안정적으로 유지시켜준다. 차폐가스의 종류, 송급 각도 및 유량 등은 용접부 형상, 기계적특성 및 미세 구조에 영향을 미친다고 알려져 있다³⁾. 차폐가스가 고온의 용융풀과 반응하여 표면의 유동 및 플라즈마의 발생이 달라지고, 이로 인해 용입 깊이와 같은 용접부 형상요인 뿐만 아니라 구성조직 또한 변화하기 때문이다.

산소와의 반응성이 높은 Al, Ti 등을 대상으로 차폐가스의 종류 및 영향에 대한 다양한 연구가 보고되어 왔다. 반면, 상대적으로 낮은 반응성을 가진 스테인레스강을 대상으로 레이저 용접을 수행한 연구는 충분하지 않으며, 명확한 메커니즘 또한 밝혀지지 않았다. 특히, 표면 활성원소로 인한 용융풀 유동 대한 연구는 아크 용접에서만 존재하기 때문에, 아크 연구 결과를 근간으로 레이저 용접에 응용 적용하고 있다. 본 리뷰에서는 오스테나이트 스테인리스강의 레이저 용접에서 차폐가스가 용접대상물의 기계적 특성 및 미세조직에 미치는 현상과 플라즈마/플룸 및 용융풀 거동에 미치는 영향에 대하여 설명하고자 한다.

2. 기계적 특성 및 미세조직에 대한 차폐가스의 영향

아크 공정 중 제공되는 차폐가스의 종류, 각도 및 유량 등의 변수는 비드 형상, 기계적 특성 및 미세조직에 영향을 미친다고 알려져 있다. 예를 들어, 아크용접 중 N₂가스를 공급하면 N이 오스테나이트 안정화 원소이기 때문에 용접부 내 잔류 δ-페라이트 함량을 감소시킬 수 있다^3,4). 반면, 레이저 용접에서는 이러한 차폐가스의 영향이 다소 미미한 것으로 보인다. Wang et al.²⁾은 차폐가스 내 N₂가스 분율 증가가 인장강도 및 용접부 형상에 영향을 미치지 않았으나, N₂가스 분율이 증가하면 δ-페라이트 함량은 감소한다고 발표하였다. Hafez et al.⁵⁾은 N₂ 비율이 증가함에 따라 결정립이 미세화되고 항복강도가 증가한다고 언급했다. Wu et al.²⁾은 레이저 용접 중 Ar과 N₂를 사용하여 차폐가스를 사용하지 않은 경우와 비교하였는데, Ar의 비율이 증가함에 따라 인장강도가 증가하고 연신율이 감소하는 경향이 있다고 보고하였다 (Fig. 1). 모재보다 용접부에서 경도가 높게 측정되었으며, N₂ 가스 비율이 증가함에 따라 용접부 경도는 낮아진다고 하였다 (Fig. 2)²⁾.

Fig. 1

Tensile strength and elongation rate depending on shielding gas mixtures²⁾

Fig. 2

Hardness profile of weldments fabricated under different shielding gas mixtures²⁾

오스테나이트계 스테인리스강은 Fig. 3과 4에 나타낸 것과 같이 AF모드로 응고되는데, 응고과정에서 페라이트가 오스테나이트로 불완전하게 변태하면 용접 금속에 δ-페라이트가 일부 잔류하게 된다. 일정량 이하의 잔류 δ-페라이트는 열간 균열 감수성을 줄이는데 효과적이지만, δ-페라이트는 부식에 취약하다. 따라서 목적에 따라 차폐가스 사용을 조절할 필요가 있다. 특히, N₂는 오스테나이트의 틈새로 용해되며 강력한 오스테나이트 안정제이기 때문에, 소량의 N₂만 첨가하여도 잔류 δ-페라이트 함량을 빠르게 감소시킬 수 있다^3,6,7). 아크 연구결과와 마찬가지로 Sisong et al.⁸⁾은 광학 현미경을 활용하여 N₂ 차폐가스의 유량이 증가함에 δ-페라이트 함량이 줄어들고 결정립이 미세화 되는 것을 확인했으며, Hafez et al.은 EBSD 분석을 통해 N₂ 비율이 증가함에 따라 용접부의 δ-페라이트의 비율이 줄어들고 평균 결정립 크기가 감소한다고 언급하였다 (Fig. 5)⁵⁾.

Fig. 3

Optical microscopy of fusion zone produced under different shielding gas supply; (S1) 0 L/min; (S2) 4 L/min; (S3) 8 L/min; (S4) 12 L/min; (S5) 16 L/min⁸⁾

Fig. 4

EBSD phase map of the fusion zone produced under different shielding gas mixtures⁵⁾

Fig. 5

Effect of shielding gas mixtures on the average grain size, and predicted yield strength of the fusion zone of welded samples⁵⁾

3. 차폐가스가 플라즈마/플룸에 미치는 영향

레이저-부재, 레이저-차폐가스 사이의 반응에 의해 발생되는 플라즈마/플룸은 레이저 공정 빔을 흡수하거나 난반사시키기 때문에 발생량이 증가할수록 재료에 대한 레이저 빔의 흡수율을 떨어뜨린다^9-12). 플라즈마/플룸이 강하게 발생될 때, 차폐가스를 공급하면 플라즈마/플룸의 형성을 줄여 레이저 효율을 증가시키고 안정적인 용접공정을 수행할 수 있게 한다. CO₂ 레이저의 경우 He 가스를 사용하면 높은 이온화 포텐셜로 인해 가스 플라즈마가 쉽게 형성되지 않아 깊은 용입이 생성되는 반면, Ar, N₂ 차폐가스를 사용한 경우, 레이저 에너지가 가스 플라즈마의 역제동복사에 의해 흡수되어 얕은 용입 깊이가 생성된다. 레이저 파장에 따라 차폐가스의 영향이 다르게 나타날 수 있음을 의미한다. Fiber, Disk, YAG 레이저의 경우 역제동복사의 활성 정도는 CO₂ 레이저 대비 약 100배 작으며, 따라서 Ar, N₂, He에 의한 가스 플라즈마는 거의 형성되지 않는다

Gao et al.¹³⁾ 은 분광분석을 통해 플라즈마/플룸 발생량과 레이저 파워와의 상관관계를 연구하였고, 레이저 출력이 증가함에 따라 강한 플라즈마/ 플룸이 나타나는 것을 확인하였다. Sun et al.¹⁴⁾은 고출력 CO₂ 레이저 용접에서 He-Ar 차폐가스를 활용하고, 가스간 분율이 플라즈마/플룸 거동에 영향을 미치며, 측면 가스 송급이 용접 공정을 안정화시켜 용접성 향상에 긍정적이라고 보고하였다¹⁴⁾. Wang et al.¹⁵⁾은 CO₂ 레이저 용접에서 차폐가스가 레이저 유도 플라즈마와 에너지 전달에 미치는 영향을 연구하였으며, 앞선 연구결과와 유사하게 측면 차폐가스 공급은 레이저 유도 플라즈마를 억제하고 레이저 효율을 향상시킨다고 보고하였다¹⁵⁾.

차폐가스의 종류에 따라 플라즈마의 발생 거동 또한 차이가 발생한다. 차폐가스 구성원소에 따라 플라즈마 온도가 다르기 때문이다. Ar 가스의 플라즈마 전자 온도는 약 4500 K 인 반면, He의 전자온도는 2000 K이며 플라즈마/플룸의 분출시간이 Ar보다 짧다 (Fig. 6). Xu et al.¹¹⁾은 플라즈마/플룸 발생량이 용입깊이와도 밀접한 연관이 있다고 언급하였다. He을 차폐가스로 쓴 경우에서 플라즈마/플룸 볼륨이 적게 발생하였으며, 이로 인해 레이저 빔 에너지에 대한 손실이 적어져 재료에 대한 빔 흡수율이 증가되어 더 깊은 용입이 형성된다고 보고하였다 (Fig. 6)¹¹⁾. Aiquin et al.¹⁶⁾은 Ar과 He 가스에 대한 플라즈마/플룸의 특성을 연구한 결과, 차폐가스의 종류가 플라즈마/플룸의 크기 뿐만 아니라 용융풀 형상에도 영향을 미친다고 보고하였다. Ar 가스 적용한 경우에서 He 가스를 사용했을 때 보다 더 큰 플라즈마가 발생했으며, 용융풀의 부피도 더 컷다고 보고하였다¹⁶⁾ (Fig. 7). Sabbaghzadeh et al.¹⁷⁾은 Ar, N₂, 압축 공기 송급조건에서 펄스 용접시 발생되는 플라즈마/플룸의 전자온도를 비교하였는데, Ar과 N₂ 가스를 사용하는 경우 전자온도의 뚜렷한 차이는 없었지만, 압축공기를 송급하는 조건에서는 대기와 금속증기 간의 순간적 산화로 인해 높은 전자온도가 측정되었다고 하였다.

Fig. 6

Electron temperature and morphology of plasma in Ar and He atmosphere¹¹⁾

Fig. 7

Images of plasma with Ar gas and He gas of laser welding of 304 stainless steel¹⁶⁾

Fig. 8는 Ar과 He의 유량이 플라즈마/플룸의 전자 온도 변화에 미치는 영향을 보여준다. 차폐가스의 유량이 10 L/min, 16 L/min, 22 L/min 수준으로 증가함에 따라 플라즈마/플룸의 전자 온도가 감소하고, 분출 지속시간이 단축된다¹¹⁾. Sabbaghzadeh et al.¹⁷⁾ 또한 유량에 따른 전자온도를 측정하였는데, Ar 가스의 경우 15 L/min 이상의 유량에서 전자 온도가 떨어졌으며, 이는 증가된 차폐가스 유량으로 인한 플라즈마/ 플룸과 키홀의 냉각 효과 때문이라고 하였다.

Fig. 8

Electron temperature evolution of plasma plume in (a) Ar atmosphere and (b) He atmosphere¹¹⁾

4. 차폐가스 내 활성화원소가 용융풀 유동에 미치는 영향

스테인리스강에서 차폐가스의 사용은 용융풀 유동에 상당한 영향을 미친다. 표면활성요소인 S, O를 첨가하게 되면 용입 깊이가 증가하고 비드 폭을 감소시킨다는 연구결과가 많은 연구자들에 의해 보고되었다^18-21). 이것은 O, S, P, Se와 같은 표면 활성성분의 차폐가스 내 공급제어를 통해 원하는 용입과 비드 폭을 확보할 수 있음을 의미한다^18,19,22,23).

Naito et al.²⁴⁾은 YAG laser 및 hybrid 용접에서 산소 함량의 증가에 따른 키홀 벽을 따라 형성되는 하향 용융 유동을 관찰하였으며, 표면 장력의 영향으로 인해 높은 산소함량에서 좁은 표면 비드와 깊은 용입이 생성된다고 보고하였다. Lu et al.²⁵⁾은 약간의 CO₂ 첨가가 용접부 형상 및 용입을 극명히 변화시켰다고 언급하였으며, O의 함량이 80 ppm을 넘어가면 용융풀 유동이 외측에서 내측으로 변경된다고 보고하였다. Zhao et al.²³⁾은 산소함량이 280-500 ppm 범위에 있을 때 깊고 좁은 용접 풀이 유발되며, 280 ppm보다 낮거나 500 ppm 보다 높으면 깊이 대비 폭의 비율이 다시 감소한다는 연구결과를 보고하였다. Ribic et al.²⁰⁾은 가스 중 S의 함량이 용입 깊이에 미치는 영향은 무시할 정도이지만, 산소농도는 용입 깊이에 상당한 영향을 미친다는 연구 결과를 수치해석 모델을 통해 증명하였다.

레이저 용접에서 차폐가스 내 산소 원소가 용융풀 유동을 변화시키는 메커니즘은 아직 명료하게 규명되지 않은 것으로 판단된다. 문헌 등을 종합하였을 때, 마랑고니 유동 전환 효과, 열유체 가속 효과, 그리고 키홀입구의 확장에 의한 효과 등으로 활성화 원소가 주는 영향으로 분류하여 설명되고 있다.

He et al.²¹⁾은 산소 함량에 따른 용입 깊이의 증가는 마랑고니 유동에 기인한다고 주장하였으며, 임의의 온도계수(dϒ/dT)를 산정하고 유체역학을 시뮬레이션하여 온도구배 계수의 영향을 조사하였다. Fig. 9에 나타낸 바와 같이 용융풀 내 산소 농도가 증가함에 따라 온도계수가 양수에서 음수로 바뀌는 임계점(온도)은 점차 증가한다. 온도계수가 음에서 양으로 변하면 마랑고니 대류의 방향이 바뀌고, 온도계수가 양수일 경우 용융풀 표면에는 안쪽으로의 유동이 존재한다. 저자는 온도계수가 음수일 때 (Fig. 10a), 키홀 벽 후면에서 용융 흐름의 교차가 일어나면서 키홀벽이 붕괴되거나 기공이 잔류할 가능성이 커진다고 언급하였다. 반면 온도계수가 양수일 때 (Fig. 10c), 용융풀 바닥에서는 시계방향으로 흐르고, 용융풀 위쪽 표면에서는 반시계방향의 유동이 있어 키홀 주변의 유동의 충돌을 피할 수 있다. 때문에 기공형성을 회피하기 위해서 용융풀 표면의 온도계수가 양수인 것이 용접성 확보 측면에서 유리하다고 제안하였다²¹⁾.

He et al.²¹⁾은 키홀 바닥면의 열유속으로 활성화 원소(산소)의 효과를 설명하였다. Fig. 11을 통해 산소 농도가 향상함에 따라 용입이 증가하고 비드 폭이 감소하는 것을 알 수 있다. He et al.²¹⁾은 이러한 현상이 레이저 에너지 밀도와 관계가 있다고 언급하였다. 산소함량이 20%일 때 조사되는 레이저 빔 사이즈가 감소하는데, 이로 인해 레이저 에너지가 좁아진 반경 안에 집중되고 빠른 열유속이 키홀 바닥에 작용하여 용입이 깊어진다고 설명하였다 (Fig. 12)²¹⁾.

Fig. 9

Effect of different oxygen concentrations on the temperature gradient coefficient²¹⁾

Fig. 10

The molten pool and keyhole dynamics with different temperature gradient coefficients. (a) dϒ/dT = -4.3 × 10^-4, (b) dϒ/dT = 0, (c) dϒ/dT = 4.3 × 10^{-4 21)}

Fig. 11

Comparison of the simulated molten pool with the experimental weld seams under different oxygen contents^20,21)

Fig. 12

Peak value of keyhole heat flux and diameter of laser spot with different oxygen concentrations²¹⁾

반면, Zhao et al.¹⁹⁾은 산소 함량이 증가함에 따른 용입 깊이의 증가는 마랑고니 효과에 의한 것이 아니라고 제언하였다. 키홀에서 산화물이 분해되어 일산화탄소(CO)가 형성되고, 일산화탄소가 키홀 정압을 증가시켜 키홀입구가 확장되고 용입깊이가 증가된다고 보고하였다^18,19). Fig. 13 는 산소 함량에 따른 용융풀 표면 유동을 보여준다. Fig. 13a는 활성화 가스가 공급되지 않은 경우로써, 알루미늄 분말(tracer)이 용융풀 중앙에서 머무는 것을 확인 할 수 있다. 반면, 10%O₂ 가스가 공급된 경우, 키홀 주위로 알루미늄 분말이 이동하였다. 이를 근거로 활성가스가 공급되는 경우 키홀 주변의 용융풀 유체 유동이 키홀 바깥쪽에서 안쪽으로 변화한다고 언급하였다. 하지만 내부 유동이 용입깊이를 증가시키는 경우, 하향 유체 유동에 의해 키홀 깊이보다 바로 뒤의 용융풀 깊이가 증가해야만 한다 (Fig. 14)¹⁹⁾. 때문에 Zhao et al.은 X-ray에서 측정한 키홀 깊이와 횡단면의 깊이와 일치하는 것을 근거로 유체 유동에 의해 용융 깊이가 증가한 것은 아니라고 기존의 연구결과들을 반박하였다 (Fig. 15). 더불어, 키홀에서 CO₂ 및 O₂가 분해되어 형성되는 강화된 기체 분압이 키홀을 확장하여 키홀 바닥면에 에너지가 보다 직접적으로 닿아서 용입 깊이가 증가된다고 주장하였다^18,19).

본 연구는 오스테나이트계 스테인리스강의 레이저 용접에서 차폐가스 사용 시 기계적, 조직적 특성, 플라즈마/플룸 발생 거동 및 용융풀 유동에 미치는 영향을 기술하였다. 적절한 차폐가스의 사용은 플라즈마의 형성을 줄여 레이저 효율을 증가시키며 안정적인 용접부를 만들어 낼 수 있다. N₂ 차폐가스의 사용은 입계의 오스테나이트화를 촉진시켜 기계적 강도를 높이고, 고온 균열 민감도를 낮출 수 있다. 또한, 차폐가스에 O, S 등의 활성요소의 첨가는 용융흐름을 바꾸고 보다 깊고 좁은 용접부 형상을 만든다. 활성요소와 용융풀 유동에 대한 메커니즘은 현재 레이저 용접에서 명확하게 규명되지 않아 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

Fig. 13

Molten metal flow on pool surface for various oxygen contents (a) He-0%O₂, (b) He-10%O₂ ^18,19)

Fig. 14

Schematic illustration of weld depth increased by inward flow¹⁹⁾

Fig. 15

X-ray transmission images of keyhole and transverse sections for various oxygen contents of shielding gas^18,19)

5. 결 론

본 리뷰에서는 오스테나이트 스테인리스강의 레이저 용접에서 차폐가스가 용접특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 선행연구를 리뷰하였고, 다음과 같이 정리할 수 있다.

• 1) Ar, N₂를 차폐가스로 송급하는 경우, 차폐가스 종류에 따른 인장강도 및 경도 변화는 뚜렷이 나타나지 않았다.

• 2) 차폐가스는 고온의 용융풀과 반응하여 내부 조직의 변화를 일으킬 수 있다. N₂를 차폐가스로 사용한 경우 용접부의 δ-페라이트 형성이 억제된다고 보고되고 있으며, 유량이 증가함에 따라 오스테나이트 비율 또한 증가하는 경향이 나타난다.

• 3) 차폐가스는 플라즈마/플룸의 발생과 밀접한 관계를 가지고 있다. He을 사용하면 Ar 보다 플라즈마/플룸 형성을 억제할 수 있으며, 상대적으로 깊은 용입을 확보할 수 있다. 높은 유량은 플라즈마/플룸 형성 억제에 긍정적으로 작용한다.

• 4) 차폐가스로 활성요소인 산소 (O₂ 또는 CO₂)등이 첨가되면 용입깊이가 증가하고 비드폭이 감소한다. 활성요소를 임의 추가하면 와인컵 형상의 단면비드를 I-형상의 단면비드로 변화시킬 수 있다.

후 기

본 연구는 한국생산기술연구원 (과제번호: PEH22063) 의 지원을 받아 수행되었습니다.

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